최초로 발견된 2차원 물질인 그래핀은 2004년 탄생 이후 빠르게 전 세계의 관심과 연구 관심을 불러일으켰습니다. 15년이 지났음에도 불구하고 그래핀 및 관련 2차원 물질에 대한 연구는 여전히 뜨겁고 신흥 연구 분야가 끊임없이 개발되고 있습니다. 현재의 새로운 산업 고도화와 기술 혁명을 배경으로 신소재 산업은 미래 첨단 산업 발전의 초석이자 리더가 될 것이며 세계 경제 발전에 지대한 영향을 미칠 것입니다. 기술, 환경 및 기타 분야. 중국은 흑연 자원이 풍부한 국가이자 그래핀 연구 및 응용 개발이 가장 활발한 국가 중 하나입니다.
새로운 탄소 기반 소재인 그래핀은 우수한 광학적, 전기적, 열적, 기계적 특성을 가지고 있습니다. 전자정보, 신소재, 신에너지, 바이오의학 분야에서 폭넓은 응용 전망을 갖고 있습니다. 글로벌 신기술, 신산업혁명으로 자리잡고 있습니다. Focus.현재 전 세계 80여 개국이 그래핀 소재의 연구개발에 투자하고 있으며, 미국, 영국, 한국, 일본, 유럽에서는 그래핀 연구를 국가 전략 수준으로 격상시켰습니다. 이 기사에서는 현재 연구 분야의 세계 5대 그래핀 연구 센터와 중국 최고의 그래핀 연구 기관을 소개하겠습니다.
1. 맨체스터 국립 그래핀 연구소
그래핀은 맨체스터 대학교에서 발명되었습니다. 2010년 맨체스터 대학의 물리학자 안드레 하임(Andre Heim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)는 그래핀 연구 공로로 그 해 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그래핀의 탄생국인 영국은 슈퍼 소재인 그래핀의 무한한 발전 가능성을 보아 왔습니다. 새로운 산업 혁명을 목표로 2011년 영국 정부는 맨체스터 대학교에 국립 그래핀 연구소(NGI)를 설립하기로 결정했습니다. 2015년 3월, 6,100만 파운드의 비용이 드는 NGI가 공식적으로 설립되었습니다.
NGI는 현재 영국은 물론 전 세계 그래핀 관련 연구의 원천입니다. NGI의 핵심 임무는 그래핀 및 2차원 재료의 산업화 및 상업화를 고려하여 2차원(2D) 재료 과학 및 응용의 최전선 분야를 지속적으로 탐구하는 것입니다. NGI를 중심으로 GEIC(Graphene Engineering Innovation Center)와 Henry Royce 연구소가 NGI 연구 결과를 수행 및 개발하고 2D 재료의 상업적 응용에 대한 새로운 모델을 지속적으로 탐색합니다. 협력이 핵심입니다. 80개 이상의 회사가 맨체스터 대학과 제휴하여 그래핀 응용 분야에 참여하고 있습니다.
2019년 NGI는 NS 정규 저널에 5편의 논문, Dazi 저널에 3편의 논문, Nature Communication 및 ACS 시리즈와 같은 상위 저널에 약 19편의 논문을 포함하여 총 60편에 가까운 논문을 발표했습니다. 통계에 따르면 NGI의 새로운 상위 저널 중 거의 절반이 2D 재료 이종 접합과 관련되어 있으며 주로 이종 구조의 2D 재료에서 새로운 또는 변칙적인 전자 유체 및 광전자 현상을 보고하고 있습니다. 기초 물리학.
2. 캠브리지 그래핀 연구센터
Cambridge Graphene Center(CGC)는 Manchester NGI와 마찬가지로 영국 Graphene Collaborative Innovation Group의 일부입니다. CGC는 엔지니어링 혁신 센터로 자리매김하고 있습니다. 주요 임무는 학계와 산업계를 연결하고, 그래핀 및 2D 재료의 산업화를 촉진하며, 2D 재료 관련 응용에 중점을 두고 응용 과학 연구 결과의 시장화를 촉진하는 것입니다.
CGC에 투자하는 주요 목적은 두 가지 측면에서 격차를 메우는 것입니다. (1) 산업 생산을 위해 파일럿 규모의 공정 장비 시스템을 연구하고 그래핀, 나노재료 및 기타 새로운 2D 재료를 기반으로 하는 잉크젯 인쇄 기술을 테스트 및 최적화합니다. (2) 자체 공급 및 무선 상호 연결과 같은 에너지 저장 요구 사항에 직면하여 투명하고 유연한 기반을 기반으로 한 지능형 통합 장치에 대한 연구. 새롭고 유연하고 에너지 효율적인 전자 및 광전자 장치를 구현하기 위해 그래핀 및 기타 관련 재료를 사용하는 것이 위 작업의 핵심 과제입니다.
위의 어려움을 점진적으로 극복하기 위해 CGC는 (1) 재료 성장, 전사 및 인쇄; (2) 에너지 응용; (3) 장치 상호 연결; (4) 센서 응용.
2019년 케임브리지 대학교 나노과학 센터의 Colm Durkan 박사는 Adv 저널에서 그래핀 표면의 PMMA 잔류물을 제거하기 위한 간단하고 효과적인 솔루션을 제안했습니다. 교배.
그림 1. 그래핀 장치 제조의 개략도.a) Cu 포일의 지지층으로 벌크 PMMA로 스핀 코팅된 CVD 성장 그래핀.b) 실리콘 기판으로 전사하고 벌크 PMMA를 제거한 후 그래핀 표면은 남지만 일부 폴리머 잔류물이 남습니다.c) 패턴화된 그래핀-금속 접촉을 위한 전자 빔 리소그래피 후 레지스트 현상 후 더 많은 PMMA 잔류물이 그래핀 표면에 남습니다.d) 이러한 잔류물은 이후 그래핀과 금속 전극 사이에 트랩됩니다. 금속화.e,f) (b)와 (c)의 두 단계 후에, 본 연구에서 제안한 대로 샘플을 이온 용액에서 처리하면 그래핀 표면의 잔류물을 효과적으로 제거할 수 있습니다.
관찰 내용을 이해하려면 PMMA는 그래핀과 마찬가지로 소수성이라는 점을 인식해야 합니다. 따라서 PMMA는 그래핀 표면에 강력하게 접착됩니다. PMMA는 에스테르 측쇄가 있는 탄소 백본을 가지고 있습니다. 낮은 pH에 노출되면(HCl의 경우와 마찬가지로) 에스테르는 가수분해되어 알코올(용액으로 분산됨)과 지방산이 백본에 부착된 상태로 유지될 수 있습니다. 이 산성 형태의 PMMA는 친수성이기 때문에 i) 약해집니다. 기본 그래핀과의 상호 작용, 그리고 ii) 물과 더 강하게 상호 작용할 것입니다. 두 가지 결과의 조합은 PMMA의 느린 용해를 초래합니다. NaCl의 작용에 관해서는 PMMA의 메틸 펜던트 그룹의 염소화를 포함하여 극성이 높아 수용성인 염화 메틸을 생성하는 등 다양한 반응이 발생할 수 있습니다.
3. 스페인 광전자공학 연구소
ICFO(광과학연구소)는 광전자공학 연구에 중점을 둔 세계적 수준의 연구 센터입니다. 전 세계에서 광전자공학 분야의 고급 기초 및 응용 연구 과학자를 모집합니다. 첨단 광전자 기술의 응용을 촉진합니다. 양자 및 나노생물학과 병행하여 새로운 광전자 특성과 그래핀 및 2D 재료의 급속한 개발을 고려하여 ICFO는 2D 재료를 사용하여 기존 광전자 재료를 대체하고 광전자 분야가 직면한 현재 문제를 해결하기를 희망하면서 독립적으로 그래핀 및 2D 재료 연구의 새로운 분야를 개척했습니다. 어려움과 도전. 기초 과학 탐구와 신흥 응용 연구를 모두 수행합니다. ICFO는 기초 과학 및 신흥 응용 분야에서 네 가지 주요 탐사 및 연구 방향을 수립했습니다.
2017년 스페인 포토닉 과학 연구소(Spanish Institute of Photonic Sciences)는 처음으로 고해상도 그래핀-양자점 CMOS 이미징 센서를 생산했습니다. 2019년에 위에서 언급한 연구 그룹은 Nature, PRL 및 ACS 시리즈의 상위 저널에 약 6편의 논문을 포함하여 총 15편의 논문을 발표했습니다. 논문의 뜨거운 주제는 주로 2차원 물질 나노전기기계 발진기, 매직 앵글 그래핀 및 그래핀 광전자공학 분야입니다.,
에너지 측면에서 ICFO는 반투명 광전지 장치에서 그래핀의 실현 가능한 응용 방법을 탐색하고 새로운 기능성 재료 및 나노 구조의 적용을 통해 재생 에너지 장치를 개발하는 것을 목표로 합니다.
고정밀 센싱 측면에서 ICFO의 연구는 그래핀 나노전기기계 발진기에 기반한 초해상도 질량분석기 및 광기계 시스템에 중점을 두고 있으며, 그래핀 기반 중적외선 검출기, 가스 검출기, DNA, 단백질 등 센서의 생화학 응용 분야를 병행 개발하고 있습니다.
표면 플라즈몬 포토닉스 분야에서는 그래핀 플라즈몬의 전기적 조절과 검출, 그리고 그래핀 플라즈몬을 기반으로 한 광 변조를 주로 연구하고 있습니다.
기초광학 분야에서는 나노양자광학, 인공그래핀, 초고속광학, 그래핀비선형광학 등을 주로 연구하고 있다.
이미징 시스템 애플리케이션 측면에서 ICFO는 심자외선-가시광선-적외선 영역을 커버할 수 있는 CMOS 기술을 기반으로 한 이미지 센서를 주로 연구합니다.
웨어러블 애플리케이션 측면에서 주요 연구는 혈중 산소와 같은 다양한 건강 매개변수를 효과적으로 감지할 수 있는 유연하고 반투명한 건강 감지 시스템에 관한 것입니다.
광검출기 분야에서는 주로 광대역 흡수 기반의 초광대역 검출기와 그래핀, 양자점, 기타 2차원 물질을 결합한 통합 검출기에 중점을 두고 연구하고 있다.
플렉서블 센서 분야에서는 광학 센서, RFID, 생화학 센서, 가스 센서, 플렉서블 스크린, 항균, 초윤활 표면 등 그래핀과 기타 2D 소재를 활용한 플렉서블 센서를 주로 연구하고 있다.
4. 싱가포르 국립대학교 첨단 2D 재료 연구 센터
2010년 싱가포르 국립대학교(NUS)는 주로 2차원 재료(예: 그래핀)에 초점을 맞춘 새로운 연구 센터를 설립하겠다고 발표했습니다. 소위 '2D 재료 센터'(2MC)는 향후 10년 동안 국립 연구 재단으로부터 4천만 달러의 자금을 지원받을 것입니다.
맨체스터 NGI 및 캠브리지 CGC와 유사하게 싱가포르 국립대학교의 NUS 첨단 2D 재료 센터(CA2DM)는 2D 재료 개발 물결의 도움으로 설립된 새로운 연구 센터입니다. , 특성화, 이론적 모델링 및 응용 등을 통해 2D 재료가 가져온 혁신적인 기술을 탐색하고 추적합니다.
따라서 CA2DM은 4개의 대규모 연구 그룹으로 나뉩니다: (1) 그래핀 그룹; (2) 기타 2D 재료 그룹; (3) 2D 장치 조합; (4) 이론 그룹.CA2DM은 현재 싱가포르 최대 규모의 2D 재료 종합 연구 센터로, 2D 재료를 기반으로 한 기초 과학 연구 및 산업 응용 분야에서 아시아 국가를 선도하고 있습니다.
2019년 CA2DM은 Nature 주요 저널에 1편, NS 하위 저널, Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy, ACS 시리즈 등 상위 저널에 약 40편 등 위의 연구 방향을 거의 모두 다루는 총 96편의 논문을 발표했습니다.
5. 삼성기술원, 한국
한국 그래핀 산업의 발전은 생산, 교육, 연구와 긴밀히 통합되어 있으며, 기초연구와 산업화 발전이 상대적으로 균형을 이루고 있다. 특히 산업 기업 수준에서 SAIT는 그래핀이 플렉서블 디스플레이, 터치 스크린 및 칩에 사용될 수 있도록 많은 R&D 노력을 투자했습니다. 해당 분야의 국제적 리더십.
한국의 삼성종합기술원(SAIT)은 삼성그룹의 탐사개발 사업 클러스터에 속해 있습니다. 새로운 시장을 위한 선도적이거나 독창적인 기술을 연구합니다. (2) 기술 통합과 혁신을 촉진합니다. (3) 나노기술의 발전을 촉진한다. (4) 파괴적인 기술을 연구합니다.
그래핀은 향후 10년 동안 여러 산업을 향상시키고 변화시킬 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있으며, 유럽 및 전 세계적으로 많은 새로운 일자리를 창출할 것으로 예상됩니다. 따라서 기술적 관점에서 특정 산업 분야에서 그래핀이 더 중요한지를 검토하는 것은 매우 중요합니다.
중국 최고의 그래핀 연구 기관 중 하나 - 베이징 그래핀 연구소
베이징 그래핀 연구소(BGI)는 베이징 대학교, 중국 국립 건축자재 그룹, 중국 바오안 그룹 및 기타 업계 선두 기업이 베이징 시 정부의 지원을 받아 2016년에 설립한 합작 투자 회사로, 그래핀 산업의 핵심 기술 연구 개발, 고급 연구 개발 기관입니다. 동시에 BGI Technology Co., Ltd.는 베이징 그래핀 연구소의 성과 변혁 및 산업화 촉진을 담당하는 주체로 설립되었습니다. 초대 학장은 국제적으로 유명한 나노카본 소재입니다. 명예학장으로는 베이징대 류종판(劉忠番) 학자, 노벨상 수상자인 맨체스터대 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 교수가 명예학장으로 초청됐다.
베이징 그래핀 연구소는 산업 발전과 주요 국가 수요를 연결하고, 그래핀 산업의 핵심 핵심 기술을 배치하고, 고급 R&D 및 파운드리를 위한 새로운 서비스 모델을 구현하고, 다양한 그래핀 킬러 응용 프로그램을 육성하고, 그래핀 첨단 기술 기업 그룹을 육성하여, 수천억 개의 그래핀 산업 클러스터를 육성하고 우리나라 그래핀 산업의 핵심 경쟁력을 구축합니다.
그래핀 산업을 선도하는 핵심기술의 원천이자 첨단산업 혁신 메커니즘과 혁신 문화 시범구, 글로벌 그래핀 고급 인재 집결지, 그래핀 산업 자원 시너지 집적지, 혁신창업고지이다.
현재 준비된 그래핀 재료는 이상적인 것과는 거리가 멀기 때문에 제가 최근에 자주 말한 것은 오늘날의 그래핀 재료는 미래의 그래핀 재료와 동등하지 않으며 현재 그래핀의 용도는 그리 유용하지 않을 수도 있다는 것입니다. 미래 산업의 핵심은 아닐 수도 있습니다. 우리에게 있어 산업을 형성하기 위해서는 극한의 상황을 만들어내야 하며, 준비가 미래를 결정합니다. 관건은 정말 좋은 그래핀 소재를 만들 수 있느냐다.
그래핀 필름
미래 그래핀 산업은 만병통치약 첨가제가 아닌 그래핀 소재의 킬러 응용을 기반으로 할 예정이다. 국내 시장은 주로 의류, 코팅, 복합재료, 흡착, 윤활 제품, 그래핀 리튬 배터리, 스마트 팔찌, 그래핀 휴대폰 터치스크린 등을 포함한 이들 제품에 집중하고 있다. 커넥티드 센서, 웨어러블 및 건강 관리, 데이터 통신, 에너지 기술, 복합재 등이 있다.
중국 그래핀 소재 산업의 현상황을 보면 빠른 성공과 즉각적인 이익을 추구하는 경향이 심각하고, 미래 그래핀 산업의 핵심 기술에 대한 관심 부족, 특허는 많지만 혁신 능력이 부족하고 실질적인 핵심 지적 재산권이 부족하다. 또한 자본 시장의 과대광고가 뒤섞여 있고, 산업단지가 무턱대고 건설되고, 단순 반복 현상이 심각하다. 시험 기준이 아직 확립되지 않았고, 시장 제품이 엇갈리고, 자금이 분산되어 심각하게 부족하다. 의사결정 위치를 명확히 하고, 미래 그래핀 산업의 핵심 기술 배치에 중점을 두고, 저가형 제품을 시장과 기업에 넘겨준다.
그래핀 특허
영국 특허 컨설팅 회사인 케임브리지 아이피(Cambridge IP)의 조사에 따르면 2014년 5월 기준 전 세계 그래핀에 대한 특허 출원 건수는 11,372건으로 아시아가 3,060건을 차지한 반면, 유럽과 영국은 각각 361건과 41건에 불과해 확연히 뒤처져 있다. 그래핀 분야의 특허 건수를 주의 깊게 살펴볼 필요가 있다.
현재 중국과 한국은 그래핀 분야에서 다수의 특허를 출원했으며 유럽 특허청은 특허 부여에 매우 까다로워 유럽에 출원된 특허 출원 건수는 상대적으로 적습니다. 특허 수의 격차가 유럽이 이 기술에서 뒤처져 있음을 나타내는 지표는 아닙니다.
절대적인 특허 수로 보면 유럽이 뒤처진 것은 부인할 수 없지만 품질은 다른 나라에 비해 열등하지 않습니다. 많은 중국 특허는 국제적이지 않습니다. 한국은 특정 분야에서 수십 개의 특허를 보유하고 있는 반면, 유럽의 특허는 광범위한 연구 분야를 포괄합니다. 유럽과 영국은 더 많은 특허가 필요하고 이를 위해 노력하고 있지만 특허 수를 좀 더 주의 깊게 살펴볼 필요가 있습니다.
